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문제 정의
- 본 논문에서는 국내 KTX 운영노선을 대상으로 설치된 에너지 저장시스템에 대한 기술적 특징과 설치 효과 및 활용 가능성을 확인하였다.
제안 방법
- 가선에서 발생하는 무효전력을 보상하여 역률을 개선하고 동시에 유효전력도 보상할 수 있도록 시스템을 구성하였다. 역행 시 가선전압과 전류는 선로 임피던스로 인해 위상차가 발생하고, 이러한 위상차로 인해 무효전력 성분을 야기시킨다.
- 가선전압은 변압기 2차측의 컨버터 입력 전류를 측정하였고, 가선 전류는 CT를 사용하여 측정하였다. 차량이 역행하여 전력을 소비하게 되면 인덕턴스 부하에 의해 전류의 위상이 전압에 비해 뒤처지는 것을 확인할 수 있다.
- KTX 고속철도의 경우 가선전압이 AC이고 회생 시에 가선전압의 상승이 없기 때문에 충/방전을 위한 차량의 운행 모드가 가선전압만으로는 파악이 쉽지 않다. 따라서 가선전압과 더불어 가선 전류를 검출하여 가선전압과 전류의 위상차를 이용하여 차량의 역행, 회생 상태를 판별한다.
- 하지만 리튬 폴리머 배터리의 경우 응답 속도는 슈퍼커패시터에 비해 느리 지만 정전 용량이 크기 때문에 슈퍼커패시터의 부족한 정전 용량을 보완 하여 장시간 충/방전이 가능하다[5-6]. 따라서 시험개소에 설치된 에너지 저장 시스템에는 슈퍼커패시터와 리튬 폴리머 배터리를 병렬 연결하여 하이브리드 에너지 저장 시스템을 구축하였다. 두 가지의 저장 매체를 병렬 운용 하면서 순간적인 전력 보상뿐 아니라, Peak 전력을 감소시키거나 Shi 시키는 효과를 얻을 수 있다.
- 슈퍼커패시터의 출력단에는 유사시나 시스템 정비 시에 슈퍼커패시터에 저장된 에너지를 소비할 수 있는 방전 저항을 연결하였다. 배터리3.7V/200Ah 264직렬로 총 200kWh로 설계하였으며, 운용 효율성을 위해 관리시스템(BMS : Battery Management System)을 설치하여 배터리의 상태를 실시간으로 감시하도록 하였다.
- 시스템은 슈퍼커패시터와 배터리를 병용하는 하이브리드 타입으로 설치 운영하여 수 초 단위의 에너지 활용에는 충·방전 속도가 탁월한 슈퍼커패시터를 적용하였고수 십 초 이상의 다소 긴 시간의 방전 시에는 에너지 밀도가 높은 배터리 방전 로직을 적용하였다.
- 시스템은 슈퍼커패시터와 배터리를 병용하는 하이브리드 타입으로 설치 운영하여 수 초 단위의 에너지 활용에는 충·방전 속도가 탁월한 슈퍼커패시터를 적용하였고수 십 초 이상의 다소 긴 시간의 방전 시에는 에너지 밀도가 높은 배터리 방전 로직을 적용하였다. 알고리즘으로는 기존의 전압 크기만을 이용한 에너지 충․ 방전 로직 외에 추가로 위상제어를 기반으로 에너지를 충․방전할 수 있도록 적용하였다. 그 결과 시스템의 활용도가 향상하였으며 일평균 약 1,200kwh의 에너지 절감을 확보됨을 알 수 있었다.
- 반면 차량이 제동을 수행하면 회생에너지가 발생 하게 되고 이때의 가선전압과 전류의 위상은 대략 180°차이를 두고 발생하며 이를 그림 7에 나타내었다. 에너지 저장 시스템은 차량의 역/회생 판별을 위와 같은 가선전압과 전류의 위상차를 이용하여 판단하도록 하였다.
- 에너지 저장시스템에 의한 소비전력 저감 효과를 확인하기 위하여 시스템을 설치 운전하며 일주일의 간격을 두고 에너지 저장 시스템을 기동 하였을 때와 기동하지 않았을 때의 데이터를 비교하여 분석해 보았다. 2014년 2월～3월의 측정결과를 그림 9의 그래프에표시하였다.
- 6V/165F로 구성되어 있다. 이러한 모듈을 직-병렬로 결선하여 총 29.7MJ로 설계하였다. 슈퍼커패시터의 출력단에는 유사시나 시스템 정비 시에 슈퍼커패시터에 저장된 에너지를 소비할 수 있는 방전 저항을 연결하였다.
- 최초 기동 시에 초기 충전이 완료된 후, 차량의 역행과 회생이 있을 시 충․방전이 시행되며, 충전 모드는 슈퍼커패시터가 완전 충전될 때까지 Mode 1과 Mode 3의 동작을 수행하고, 슈퍼커패시터가 완전 충전이 된 후에는 Mode 2와 Mode 4의 동작으로 완전 방전을 수행한다. 완전충전은 슈퍼커패시터의 정격전압까지 충전을 의미하고 완전방전은 슈퍼커패시터의 정격전압의 1/2까지 방전을 의미하며 에너지 량으로는 전체용량의 75%에 해당한다.
대상 데이터
- 에너지 저장 시스템에 사용되는 저장 매체로는 슈퍼커패시터와 리튬 폴리머 배터리가 사용되었다. 슈퍼커패시터는 순간적인 응답은 빠르지만 정전 용량이 작아 역행이나 회생시간이 긴 KTX 고속 전철의 에너지를 보상하기에는 부족하다.
데이터처리
- 그림 10에 에너지 저장 시스템을 기동및 미 기동 시에 따른 가선전압의 RMS값을 나타내었다. 측정은 객관적 비교를 위해 일정시간대를 상호 비교하였다. 에너지 저장 시스템을 기동하였을 때는 가선전압의 강압 횟수와 강압 폭이 미 기동 시에 비하여 적었다.
이론/모형
- 배터리와 달리 슈퍼커패시터의 경우 초기 상태가 이론적으로 단락회로로 등가화되기 때문에 전류는 무한대에 가까워진다. 이를 방지하기 위한 소프트 스타트 기법을 사용하였다. 소프트 스타트 기법은 초기 충전 시에 약 1.
성능/효과
- 그 결과 시스템의 활용도가 향상하였으며 일평균 약 1,200kwh의 에너지 절감을 확보됨을 알 수 있었다. 경제적 측면만을 고려한다면 손익분기점에 도달하지 못하는 것으로 나타났으나, 고속 열차의 지속적 증편, 설비용량 한계, 급전전압 불안 등이 잠재적 위험요소를 고려시 효과는 지속적으로 확대될 것으로 판단된다.
- 알고리즘으로는 기존의 전압 크기만을 이용한 에너지 충․ 방전 로직 외에 추가로 위상제어를 기반으로 에너지를 충․방전할 수 있도록 적용하였다. 그 결과 시스템의 활용도가 향상하였으며 일평균 약 1,200kwh의 에너지 절감을 확보됨을 알 수 있었다. 경제적 측면만을 고려한다면 손익분기점에 도달하지 못하는 것으로 나타났으나, 고속 열차의 지속적 증편, 설비용량 한계, 급전전압 불안 등이 잠재적 위험요소를 고려시 효과는 지속적으로 확대될 것으로 판단된다.
- 따라서 시험개소에 설치된 에너지 저장 시스템에는 슈퍼커패시터와 리튬 폴리머 배터리를 병렬 연결하여 하이브리드 에너지 저장 시스템을 구축하였다. 두 가지의 저장 매체를 병렬 운용 하면서 순간적인 전력 보상뿐 아니라, Peak 전력을 감소시키거나 Shi 시키는 효과를 얻을 수 있다. 두 저장매체는 설정된 전압값과 위상에 따라 충․방전을 시행하게 된다.
- 2014년 2월～3월의 측정결과를 그림 9의 그래프에표시하였다. 에너지 저장 시스템을 기동 하였을 때 유효전력과 무효전력이 모두 감소하였으며, ESS로부터 유효전력기준으로 약 1,200kWh/일 정도 방전하고 있음을 알 수 있었다.
- 가선의 환경(역행/회생)과 에너지 저장 시스템의 환경(충전/방전)에 따라 4가지 모드로 나눌 수 있고, 이에 따른 효과는 그림 4와 같다. 차량의 역/회생 시에에너지 저장 시스템이 충/방전을 수행하면서 무효전력성분이 보상되는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 본 논문을 통하여 축적된 AC용 에너지 저장시스템의 효과가 향후 교류 25kV 시스템의 열차 운행 안정성과 효율성 향상에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
- 에너지 저장 시스템을 설치하여 운영함으로써 얻을수 있는 효과는 첫 번째는 차량의 회생에너지를 저장 하여 공급함으로써 소비전력을 저감 및 역률개선 효과이며, 두 번째는 최대전력 저감 및 가선전압 안정화 효과를 포함한 전력품질 개선효과를 기대할 수 있다. 특히 최근 열차운행 횟수 증대에 따른 고속전철변전소의 부하량 증가로 말단개소 순간전압강하 저하 등 시스템 보완에 대한 관심이 증대되고 있다.
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